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引言1 引言在当今市场经济的情况下，产品的质量和形象是企业生存和发展的决定性因素之一，而随着社会对钢材需求和对钢铁企业现代化程度的日益提高。越来越多的钢铁企业发现钢铁的包装质量越来越成为钢铁产量的关键。传统的人工包装效率低，工作强度大，作业环境差，而且易产生散捆、混号和松捆的情况，从而大大制约了钢铁产量的提高。为了解决这个瓶颈现象，各钢铁企业都逐步开始采用精准包装自动化生产线，而查资料可得，在国际上只有瑞典Sund Birsta公司、法国Botaram公司、德国Simac公司等少数几家公司掌握了精准包装关键技术。而国内诸如首钢、唐钢、宝钢等大型钢铁企业只能相继从国外引进了自动包装生产线，所以，全自动打捆机的开发应用时当务之急。棒料打捆机的先进性：自动棒料打捆机采用过程监视系统采用客户机/服务器多用户结构，过程监控系统实现实时的生产流程监控，设备运行监控，生产数据监控，同时完成数据分析处理，参数管理机组状态设计，数据通讯处理功能为用户提供完整的生产数据。由于钢铁厂环境恶劣，生产连续，且打捆机的一个打捆周期由蓄丝、合臂、伸钳、送丝、拉紧、合钳、剪切、开臂、拧进、松钳、退钳、挤平12个动作组成，动作多，运动复杂，因此对控制系统的性能及可靠性提出了严格的要求。而作为钢铁年产量世界第一的我国，所使用的全自动钢材打捆机设备多数是从国外引进的，不仅耗费大量的外汇，而且设备维修困难。因此，从1997年起，在对国内外多种形式打捆机的深入分析研究，以及对首钢总公司2台棒材打捆机成功改制的基础上，结合我国国情，自主开发研制了棒材打捆机。该打捆机可利用函6 mm、函65 mm的热轧盘条对垂10 mm垂40 mm的棒材按西100mm西400mm捆径自动打捆包装，捆结拧转720。，然后挤平。一个打捆周期为11 s，两台打捆机联合使用即可胜任年产200万t棒材厂家的精整包装工作PLC具有结构小巧。运行速度高，通用性好，可靠性高等特点，能适应工业现场的高温、振动、粉尘等恶劣环境，所以选用PLC作为控制系统的核心部件。全套设计，加153893706钢材打捆机是钢铁企业实现钢材产品自动化包装的设备,其特点为连续工作。工作和检修环境恶劣,很多厂家还缺少冷却用水,这就要求打捆机液压系统必须连续工作,可靠性高,抗污染能力强。在产品检测过程中, 常常需要根据产品的形状、材料以及重量将其进行分类。传统的分类往往采用人工的方法, 致使生产效率低、生产成高。为此, 本文介绍了一种利用PLC控制的自动分拣系统, 它不仅可以降低人工拣取、搬运的劳动强度, 提高劳动生产率, 降低作业成本, 还具有较高的可靠性和安全性。因此打捆机液压系统设计时采用了抗污染能力强、价格低廉的齿轮泵,但由于打捆机在两个工作循环之间有一个等待时间,这时液压系统的负载流量为零,泵的输出如果全部溢流必将产生巨大的热量,给系统的冷却,特别对采用风冷方式的冷却带来困难。1.1打捆机的发展趋势为了适应现代化钢材生产的需要，目前国际上打捆机的发展呈现了以下趋势：1）多品种、专业化、系列化为了满足各种不同钢材打捆的需要，根据不同钢材各自生产工艺和包装特点，钢材打捆机已形成了多品种、系列化、专业化的趋势，研制出了适合不同钢材打捆的专用钢材打捆机，主要表现在各种新型捆扎材料的使用和捆扎锁紧方式的创新(目前国际上钢材打捆机的具体分类可见图2.1)。2）打捆机与钢材成形机配套使用为了提高钢材打捆的自动化程度，且打好捆的钢材具有整齐固定的形状，钢材打捆机与全自动钢材成形机配套使用，如钢管在成形工位被自动码放成正六角形、方矩形等稳固的形状，然后将码放好的钢材输送至打捆工位进行打捆，达到稳固整齐的包装效果。实现了钢材成形打捆的全自动化生产。引言3）具有塑料膜包覆机构，保护钢材表面质量 对于高质量的钢材，如不锈钢管、镀锌板材、卷材，为了防止在打捆的过程中将钢材表面刮擦，破坏外表金属涂层和防锈漆，在打捆之前先在钢材捆表面卷绕薄膜对钢材进行表面质量保护。4）打捆速度不断提高为适应现代化钢材生产流水线高效率生产的要求，必须相应的提高打捆包装速度。目前国际上钢带打捆机平均每道的捆扎速度为20秒左右，退火或热轧盘条打捆机的打捆速度一般在1020秒左右。5）提高打捆机的自动化程度钢材生产流水线对钢材打捆机的自动化程度要求越来越高，先进的钢材打捆机普遍采用了微机控制和PLc控制技术，具备了全自动打捆、故障报警、自动计数的能力，在流水线生产中能实现自动送料、自动定位、自动转位等功能，可以进行远距离操纵控制，通过监视系统和报警系统，及时发现问题，排除故障。此外机器的操作与维护更趋向方便，无须熟练的工人就可操作，一般的技术人员就能维修，大大提高了打捆机的推广。以下如图所示为钢丝打捆机的类型。河北联合大学轻工学院本科毕业论文手动打捆机按工作方式分半自动打捆机钢扣式打捆机无扣式打捆机全自动打捆机钢带打捆机焊接式打捆机钢扣式打捆机按捆扎材料分钢材打捆机 条状线材打捆机 焊接式打捆机钢丝缠绕式打捆机线材打捆机棒材打捆机按适用范围分管材打捆机塑料带打捆机钢丝打捆机盘条线材打捆机热烙式打捆机钢板平板打捆机板材打捆机钢板卷材打捆机2 钢带打捆机的工作原理和组成2 打捆机的工作原理和组成本钢带打捆机是由如图2.1所示。图2.1打捆机结构示意图2.1 钢带打捆机的组成部件概述钢带打捆机主要包含导带轮，送带单元，压紧轮，带有压紧轮的气动马，和控制送扣的送扣传感器1#，控制带头到达预定位置的的导带传感器2#，调整带能进入预定位置的压带传感器3#，控制气缸马达压紧带的压带传感器4#，控制锁扣的锁扣传感器5#，靠摩擦力传带的压紧气缸传感器6#。压紧气缸主要靠电磁阀控制。送带单元由送带轮、压轮、带有弹簧的承载臂、导向器、限位开关等组成，谓丝轮上装有两片摩擦盘，这两片摩擦盘组成截面为V型的圆形导槽，送带轮由气动马达驱动，压轴轮由凸轮机构组成，靠扭簧来实现定位和预压缩。导带单元由导带槽、移动导带槽的气动缸、盖轮组等组成，导带槽截面为多边形，内径尺寸为650mm，中间隔板将其分成两条滑道，每条滑道均匀布着球轴承，在打捆机装置底部装有一套河北联合大学轻工学院本科毕业论文气压缸，用它可以移动导丝槽，以确定使用单个滑道或者两个滑道，从而可以打单捆或者双捆。导丝槽包含一个盖轮系统，分布着5个盖轮组，每个盖轮组上装有一个轴承滚轮，轴承滚轮由一个小液压缸驱动，可以在垂直与导丝槽所在平面向外翻转。打捆时，盖轮组依次翻转，打捆丝顺次释放，从而增大打捆丝的张紧力。打捆单元由扭转轴、带有切刃的拧结头、扭簧、夹紧缸、松开缸、助切气压缸、夹丝臂、夹丝板、导向切刀等组成。扭转轴由扭转马达驱动，拧结头沿扭转轴轴向固定在其端部，扭转轴和扭簧构成圆柱凸轮机构，使扭转轴可以向一个方向旋转扭结，从而反向转动复位，夹丝板固定在夹丝臂上。导向切刀是联接导带单元、导带槽单元和打捆单元的重要部件。2.2 钢带打捆机的工作原理在一开始通过控制系统给打捆机一个脉冲信号，使打捆机的各个运动部件处于复位状态，这是进行下一个动作，即光电信号传感器接收信号，使控制送扣气缸往下压，把扣送到预定的位置。此时控制二级气缸中的一个气缸行程开关闭合，使钢带压板往下运动和另一摩擦轮控制的另一钢板处于压紧状态，光电传感器接受信号，开始送带。首先通过送扣传感器接受信号，开始把扣往下送，送扣传感器由一块板和俩信号组组成，当扣送下时通过送扣传感器的另一头调整送扣位置。当位置调整好时，俩摩擦轮之间处于压紧状态，开始送带，通过压紧传感器控制气缸来调整带的位置，以促进带能顺利进入带槽，这时压紧气缸传感器开始通过摩擦盘间的摩擦力开始传带，当代进入一周时，刚好进入时，这时导带传感器接收到信号，开始调整带的活头，通过延时继电器，延时几秒，然后停止送带，送带马达停止转动。到这时送带结束，开始抽带，打捆机开始抽带，又通过一信号，使导带曹打开开始抽带，当带能捆上工件时，为使带能刚好紧扣工件，气压马达开始倒转，使带能紧扣工件，这是扣把工件锁扣，切断带，此时，摆臂大气缸往后运动控制机头往后拉伸，气缸复位。这一过程结束。其打捆工作流程图如下开始启动车体定位工件到位卡扣到位环臂下降导带槽闭合到位送带充满抽紧PP0卡扣卡紧，剪断导带槽张开到位2 钢带打捆机的原理和组成到位P设定值退钳锁扣扣紧挤平车体返回续带复位开始3 钢带打捆机的气动系统设计3 钢带打捆机的气动系统设计3.1 气动系统概述气动控制系统与电气和液压系统一样，都是实现生产过程机械自动化最有效的手段之一。采用气动系统的各种机器设备，在其总量中所占的比重为:包装机中达90%，焊接机和铸造机中达70%，自动操作机中达50%，锻压机中超过40%，采煤机中超过30%，洗衣设备中达40%，纺织机、制鞋机、木材加工机械和食品机械中占20%。气动系统有很多优点:系统机构简单，使用维护简便，成本低廉;能在温度变化范围宽、湿度高和有粉尘的环境下可靠的工作，无火灾、爆炸危险;工作寿命可长达10000一2O0o0h(动作次数达10一50兆次);气动执行元件的输出速度高(直线运动速度达巧而，s转动速度达IO0000r/min);工作介质(压缩空气)的传输比较简单，且容易获取;能从一个压缩空气站供给大量的用气装置;有过载保护性能。气动系统的主要缺点是:大距离传递信号速度慢;在负载有波动时难以保证气动执行元件输出平稳等。然而对于自动化机械设备中的大多数对象来说，气动系统的参数是合适的。此外，还可采用气一电或气一液联动控制系统，将上述缺点部分或全部消除。在实际生产中，包装钢带的卷取规格须根据需方的要求而定。一般情况下均采用单卷卷取，也有的需方需要复合卷。设计中考虑两种卷取要求，设计了复卷横移机构。单卷生产时，复卷横移电机归不动作，由主卷取电机旋转实现卷取。复合卷生产时，复卷横移电机迸给实现横向往复运动，同时主卷取电机实现卷取作业，两个电机由控制系统实现协调运行。为了保证钢带卷取的精度，在复合卷取的横移机构中采用了传动精度较高的滚动螺旋导轨副和水平运动导轨副。卷取工序是整个高强度包装钢带自动化生产线的最后一个环节，也是最关键的环节。在设计过程中综合考虑各方面因素，力求设备在结构外形和机械性能上达到河北联合大学轻工学院本科毕业论文和谐的统一，并以设计出结构简单、运行稳定、性能可靠的产品为目标。由于打捆机系统控制的对象多，参数较多，且要求系统担负一定的管理功能。根据系统的设计规则，为了提高系统的可靠性和可维护性，打捆机电气控制部分采用了集成现场总线的模块化设计。我们确定的电气控制方案以一体机作为高层界面控制，以位传感器及智能编码器作为控制条件，以可编程控制器作物理层面的控制，协调好各模块的工作顺序，以达到工艺设计的要求。图41为打捆机电气控制系统初步设计框图。如图3.1智能编码器系统工作状态智能编码器智能编码器电机驶入信号气缸输入信号系统工作状态可编程控制器PLC SIEMENS S7-400智能分布式IO(ET200S)输入组智能分布式IO(ET200S)输出组步进送带马达导带调整马达送卡扣电机压紧带马达倒带马达图3.1系统框图3.2 打捆机的气动系统组成在前面分别介绍了整个打捆机系统中气动元件的应用情况。其中包括环臂（包3 钢带打捆机的气动系统设计括导带通路和气缸压紧装置）以及打捆头的升降控制，打捆机头中的钢带驱动气马达、咬扣与切带单元动力传动二合一气缸、送扣以及导带通路的开合等一系列气动执行元件。下面将对一些重要的气动执行元件做重点介绍。3.2.1 气马达本打捆机的钢带的抽送采用气马达作为驱动源动力，因此这里介绍一下气马达的一些性能和特点。气马达的功能相当于电动机，它能将压缩空气的能量转换为机械功，输出转矩，驱动机构做旋转运动。其按工作原理可分为容积式和涡轮式两大类。其中容积式气动马达又分为叶式,活塞式和齿轮式。在全自动打捆机上采用叶片式气马达。如图3.2所示为叶片式气动马达的工作原理和特性。图3.2叶片式气马达原理图1.定子排气孔 2.转子 3.叶片 4定子3.2.2压紧钢带和咬扣与切带单元动力传动二合一气缸二合一气缸也即双行程气缸或二级气缸，其构造原理如图3.4所示，分为前后两个具有不同行程气缸并固结在一起，两个气缸具有独立的进出气口。两个气缸可以具有不通的缸径，以满足不同输出力的要求，但两者的行程关系必需满足l2l1条件。其一般的使用场合是机构具有分步动作的情况。对于打捆机系统的抓紧带头河北联合大学轻工学院本科毕业论文和咬扣与切带单元，由于要求咬扣单元的咬爪在打捆的过程中具有两个动作:钢扣咬合成型与切带。咬扣单元的分步动作即由二级气缸来实现。如下图所示，当钢带送达到位后，需要马达反转抽带从而拉紧钢带，拉紧钢带，此时需要将钢带一头压紧，气缸1的A口进气，B口出气，同时气缸2的C口和D口保持与大气的连通，使其不具有压力，气缸1的活塞杆推动气缸2的活塞杆向前运动，气缸1的活塞走完满行程后停止动作，第一步动作完成。当要对钢带切断时，气缸2的C口进气，D口出气，推动气缸2的活塞杆走完气缸2的剩余行程，使咬扣单元完成咬扣切带动作。二级气缸复位时，气缸1的B口和气缸2的D口同时通入压缩空气，而A口和C口则分别保持和大气接通，气缸活塞杆回复原位。如图4.3所示，缸1长度为L1，缸2长度为L2，L1l条件。其一般的使用场合是机构具有分步动作的情况。对于打捆机系统的抓紧带头和咬扣与切带单元，由于要求咬扣单元的咬爪在打捆的过程中具有两个动作:钢扣咬合成型与切带。咬扣单元的分步动作即由二级气缸来实现。如下图所示，当咬爪需要钢扣咬合成型时，气缸1的A口进气，B口出气，同时气缸2的C口和D口保持与大气的连通，使其不具有压力，气缸1的活塞杆推动气缸2的活塞杆向前运动，气缸1的活塞走完满行程后停止动作，第一步动作完成。当要对钢带切断时，气缸2的C口进气，D口出气，推动气缸2的活塞杆走完气缸2的剩余行程，使咬扣单元完成咬扣切带动作。二级气缸复位时，气缸1的B口和气缸2的D口同时通入压缩空气，而A口和C口则分别保持和大气接通，气缸活塞杆回复原位。（10）所有气缸复位经过前面八个步骤的工作，已经完成了对钢卷旋紧并打捆的工作，但是所有气缸的活塞仍处于工作位置，如果不将其恢复到初始位置，则无法进行下一个钢卷的旋紧和打捆工作。经过前面八个步骤的工作，已经完成了对钢卷旋紧并打捆的工河北联合大学轻工学院本科毕业论文作，但是所有气缸的活塞仍处于工作位置，如果不将其恢复到初始位置，则无法进行下一个钢卷的旋紧和打捆工作。控制气缸活塞的复位和前面的控制气缸活塞移动原理类似，都是以上一步气缸活塞的归位，触发感应开关，控制下一步气缸活塞归位。控制气缸活塞的复位和前面的控制气缸活塞移动原理类似，都是以上一步气缸活塞的归位，触发感应开关，控制下一步气缸活塞归位。打捆机工作过程简述如下:捆扎指令下达后，小车前进到捆扎位置，捆扎单元开始向上，导丝装置闭合，送丝装置开始送丝，捆丝前部端头处到夹紧机构后，送丝装置立即反向旋转，使拥丝装置收紧，当收紧力达到预先调定的压力后( 由电器设定和压力开关实现) ，再第二次送丝，这一过程时间很短，即送丝量够拧结之用即可，然后拧结头旋转，一次完成剪切和拧结功能，打弯器将结打倒在捆上，导套张开，捆扎单元向上，车后退到离开作业线，打结周期完成，除捆扎单道外，还具有捆扎双道的功能。打拥机系统控制程序的设计，是电气自动控制系统研制的重要环节。PLC控制程序的编制质量如何，对整个打捆机系统影响极大，并在很大程度上决定了该系统的运行效率和各项性能指标的最终实现。本系统通过对钢管打捆机械工艺流程的分析，在检测元件上选择了安装简易、应用方便、响应速度快、可靠。陛高的智能编码器、传感器作为控制信号的来源；在控制上采用了先进的PROFIBUSDP现场总线技术，并结合先进的机械技术、H锋机与信息处理技术、自动化控制技术、智能传感，编码等技术，设计了钢静捆机的系统的总体方案。4 钢带打捆机的软硬件设计下面是打捆机工作的流程图，如图4.6图4.6流程图河北联合大学轻工学院本科毕业论文4.4 PLC电路原理图的设计电路原理图，又被叫做“电原理图”。这种图，由于它直接体现了电子电路的结构和工作原理，所以一般用在设计、分析电路中。分析电路时，通过识别图纸上所画的各种电路元件符号，以及它们之间的连接方式，就可以了解电路的实际工作时 原理图就是用来体现电子电路的工作原理的一种电路情况。经过对打捆机整体工作流程的设计和接线图的设计，结合起来，做出电路原理图，如图4.7所示：图4.7电路原理图4 钢带打捆机的软硬件设计在输入端，各个I地址所连接的是气缸两侧所安装的感应开关，当气缸活塞移动，触发感应开关后，开关闭合，信号通过I接口传人CPU，在传到对应的输出端口，输出端口所连接的是对应的电流继电器，信号传出以后，相应的电流继电器感应，继而影响相对应的三位五通电磁阀的电磁阀，实现电磁阀的换位，使各个机构运转。电压继电器选择MY4J 220V继电器4.5 PLC梯形图的设计4.5.1 PLC编程简介PLC软件包括系统程序和用户程序，系统程序用户不能修改，用户程序则由用户根据控制对象的要求进行编制。PLC程序设计语言的标准由国际电工委员会(EIC)提出EIC1131一3，指定了PLC程序设计的语法和语义。该标准定义了如下几种PLC程序设计语言。(l)指令列表(Instruction list)(2)结构文本ST(Structured text)(3)功能块语言FBD(Function Block Diagram)(4)梯形图LD(Ladder Diagram)(5)顺序功能图SFC(Sequential Function Chart)这几种语言中，梯形图应用的最为广泛，因为它既能表达电气工程师熟悉的继电器控制线路又能表达各种特殊功能，包括算术运算，数据传送通讯，中断， 1/0，DRAM刷新，子程序的调用，堆栈操作，表格操作等。除梯形图外还有用于超小型可编程控制器使用的布尔代数，但它只能进行逻辑运算和少数表达功能。顺序功能图是专为顺序控制而设计的，便于模块化编程并缩短了程序扫描时间，其应用也越来越多。而随着PLC的发展，有些中、高档编程器也采用BASIC，APSCAL，C语河北联合大学轻工学院本科毕业论文言等。4.5.1 PLC程序设计梯形图梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程三菱FX2N系列PLC的编程环境是STEP7软件系统。STEP7用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰
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